Μικροβιολογία-Ιολογία Επίκουρος Καθηγητής Καθηγητής Δ. Μόσιαλος Βιοενεργητική μικροβίων Βακτηριακή Γενετική Επισκόπηση Βακτηριοφάγων Προκαρυωτική ποικιλότητα (Βακτήρια) Προκαρυωτική ποικιλότητα (Αρχαία)
Βιοενεργητική μικροβίων Οι μικροοργανισμοί διακρίνονται σε διαφορετικές ομάδες ανάλογα με το πώς παράγουν την απαραίτητη ενέργεια για την επιβίωση τους Χημειοργανότροφοι: καταβολίζουν οργανικές ενώσεις παρουσία ή απουσία οξυγόνου Χημειολιθότροφοι: χρησιμοποιούν ανόργανες ενώσεις πχ υδρόθειο Φωτότροφοι: Χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια μέσω φωτοσύνθεσης (αλλά όχι πάντα) Όλοι οι μικροοργανισμοί χρειάζονται άνθρακα για τον αναβολισμό τους (σύνθεση βιομορίων, ριβοσωμάτων, μεμβρανών κτλ). Διακρίνονται σε ετερότροφους (πηγή άνθρακα οργανική ένωση) και αυτότροφους (πηγή άνθρακα CO 2 )
Ελεύθερη ενέργεια-υπολογισμός της μεταβολής της Ενέργεια: Ικανότητα εκτέλεσης έργου Ελεύθερη ενέργεια(g) G): Διαθέσιμη ωφέλιμου έργου Μεταβολή ελεύθερης ενέργειας (ΔG 0 ): Α+Β Γ+Δ ΔG 0 = = (G( Γ + G Δ ) (G A +G B ) Διαθέσιμη ενέργεια για την εκτέλεση Aν η ΔG 0 είναι αρνητική η αντίδραση είναι εξώεργη, αν είναι θετική τότε ενδόεργη
Βιοενεργητική μικροβίων Ενώσεις υψηλής ενέργειας και αποθήκευση ενέργειας Η ελεύθερη ενέργεια (G) που παράγεται από μία εξώεργη χημική αντίδραση μέσα στο κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως ή να αποθηκευτεί. Η χημική ενέργεια δεσμεύεται συνήθως υπό μορφή φωσφορικών δεσμών υψηλής ενέργειας (πχ ΑΤΡ). Οι ενώσεις που τους περιέχουν χρησιμοποιούνται στην συνέχεια ως ενεργειακές πηγές στον κυτταρικό μεταβολισμό. Εκτός από τις ενώσεις που περιέχουν φωσφορικούς δεσμούς υψηλής ενέργειας μέσα στο κύτταρο παράγονται και άλλες ενώσεις που μπορούν να αποθηκεύουν ενέργεια όπως τα παράγωγα του συνενζύμου Α. Οι μικροοργανισμοί περιέχουν αδιάλυτα πολυμερή όπως άμυλο, γλυκογόνο και πολύ-β-υδροξυβουτυρικό ως αποθήκες ενέργειας τα οποία οξειδώνουν όταν χρειαστεί ενέργεια για να παράγουν ΑΤΡ.
Τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ): Το βιομόριο της ενέργειας φωτεινή ενέργεια 6CO 2 + 6H 2 O + npi C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + natp γλυκόζη φωτοσύνθεση C 6 H 12 O 6 + 2ΑDP + 2Pi 2C 2 H 6 O + 2CO 2 + 2ATP C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38ADP + 38Pi 6CO 2 + 6H 2 O + 38ATP ζύμωση αναπνοή
Ακετυλο-συνένζυμο Α Ακετυλο-S-CoA + H 2 O + ADP + P οξικό - + HS-CoA + ATP + H +
Ζύμωση και Αναπνοή Δύο καταβολικοί μηχανισμοί για την παραγωγή ενέργειας που παρατηρούνται στους χημειοοργανότροφους μικροοργανισμούς είναι η ζύμωση και η αναπνοή. Η πρώτη πραγματοποιείται κάτω από αναερόβιες συνθήκες ενώ η δεύτερη συνήθως κάτω από αερόβιες. Θεωρούνται και οι δύο ένα σύνολο οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων που διαφέρουν στο ότι τελικός δέκτης ηλεκτρονίων στην αναπνοή είναι συνήθως το οξυγόνο (εξωτερικός δέκτης) ενώ στην ζύμωση δέκτης ηλεκτρονίων είναι μια χημική ένωση που προέρχεται από το αρχικό υπόστρωμα. Στη ζύμωση το ΑΤΡ παράγεται μέσω φωσφορυλίωσης σε επίπεδο υποστρώματος κατά την διάρκεια καταβολισμού μιας οργανικής ένωσης Στην αναπνοή το ΑΤΡ παράγεται μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης χρησιμοποιώντας την πρωτονιεγερτική δύναμη. Στους φωτότροφους οργανισμούς υπάρχει και η φωτοφωσφορυλίωση δηλαδή παραγωγή ΑΤΡ τροφοδοτούμενη όχι από χημική ενέργεια αλλά από φωτεινή.
Το NAD ως οξειδοαναγωγικός φορέας ηλεκτρονίων Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται μέσα στο κύτταρο δεν είναι παρά μεταφορά ηλεκτρονίων από μία ένωση σε μια άλλη. Οξείδωση είναι η αποβολή ηλεκτρονίων και αναγωγή η πρόσληψη. Πολλές φορές η μεταφορά ηλεκτρονίων γίνεται με την βοήθεια κάποιων ενδιάμεσων ενώσεων που ονομάζονται φορείς. Οι κυτταρικοί φορείς ηλεκτρονίων υποδιαιρούνται σε 2 κατηγορίες: εκείνους που διαχέονται ελεύθερα και άλλους που συνδέονται ισχυρά με ένζυμα της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Ελεύθερα διαχεόμενοι φορείς είναι το νικοτιναμιδο-αδένινο αδένινο-δινουκλεοτίδιοδινουκλεοτίδιο (NAD + ) και το φωσφορικό νικοτιναμιδο-αδένινο αδένινο-δινουκλεοτίδιοδινουκλεοτίδιο (NADΡ + ). Οι φορείς αυτοί μεταφέρουν ηλεκτρόνια και άτομα Η 2 σε χημικές αντιδράσεις που ονομάζονται αφυδρογονώσεις. Βρίσκονται σε ζεύγη 2 μορφών την οξειδωμένη και την ανηγμένη: (NAD + /NADH) και (NADΡ + /ΝADPH) αντίστοιχα. Το πρώτο ζευγάρι συμμετέχει σε καταβολικές διεργασίες και το δεύτερο σε αναβολικές.
Αναπνοή: ροή ηλεκτρονίων που οδηγεί στην σύνθεση ΑΤΡ Στην αναπνοή υπάρχει ροή ηλεκτρονίων κατά την διάρκεια του καταβολισμού μιας χημικής ένωσης στον τελικό δέκτη. Η ροή αυτή γίνεται μέσω μεμβρανικών φορέων. Οι φορείς αυτοί είναι: αφυδρογονάσες NADH, φλαβοπρωτεΐνες, σιδηροθειούχες πρωτεΐνες, κυτοχρώματα, κινόνες. Οι αφυδρογονάσες NADH βρίσκονται στην εσωτερική πλευρά της κυτταρικής μεμβράνης.προσλαμβάνουν άτομα υδρογόνου από το NADH και τα μεταβιβάζουν στις φλαβοπρωτεΐνες Οι φλαβοπρωτεΐνες (FMN, FAD) περιέχουν ένα παράγωγο της ριβοφλαβίνης (Β 2). Προσλαμβάνουν άτομα υδρογόνου και αποβάλλουν ηλεκτρόνια. Τα κυτοχρώματα περιέχουν σιδηροπορφυρινικούς δακτυλίους (αίμη) ως προσθετικούς παράγοντες. Οξειδώνονται ή ανάγονται αποβάλλοντας ή προσλαμβάνοντας μόνο ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο σιδήρου της αίμης.
Αναπνοή: ροή ηλεκτρονίων που οδηγεί στην σύνθεση ΑΤΡ (συνέχεια) Στις σιδηροθειούχες πρωτεΐνες (δεν περιέχουν αίμη) τα άτομα σιδήρου είναι συνδεδεμένα με ελεύθερο θείο και με το πρωτεϊνικό τμήμα μέσω ατόμων θείου κυστεϊνης. Όπως και τα κυτοχρώματα, μεταφέρουν μόνο ηλεκτρόνια. Οι κινόνες είναι λιποδιαλυτά μη πρωτεϊνικά μόρια που συμμετέχουν στην μεταφορά ηλεκτρονίων. Οι κινόνες όπως και οι φλαβοπρωτεΐνες λειτουργούν ως δέκτες ατόμων υδρογόνου και δότες ηλεκτρονίων. Ορισμένες βακτηριακές κινόνες σχετίζονται με την βιταμίνη Κ των ανώτερων ζώων.
Πρωτονιεγερτική δύναμη: Χημειώσμωση Οι μεταφορείς ηλεκτρονίων που μελετήσαμε πριν έχουν τέτοιο προσανατολισμό στην μεμβράνη ώστε κατά την διαδικασία μεταφοράς γίνεται διαχωρισμός των πρωτονίων (Η + ) από τα ηλεκτρόνια (πηγή τους είναι άτομα υδρογόνου). Τα ηλεκτρόνια συνεχίζουν να μεταφέρονται από φορέα σε φορέα ενώ τα πρωτόνια ωθούνται στο εξωτερικό του κυττάρου. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στο τέλος της αλυσίδας μεταφοράς σε ένα δέκτη τον οποίο ανάγουν. Όταν δέκτης είναι το οξυγόνο ανάγεται σε νερό, στην ουσία όμως προϊόν της αναγωγής αυτής δεν είναι νερό αλλά τα προϊόντα διάστασης του (Η + και ΟΗ - ) τα οποία συσσωρεύονται στις αντίθετες πλευρές της μεμβράνης Αυτό οδηγεί στην δημιουργία διαβάθμισης του ph και ενός ηλεκτροχημικού δυναμικού (όπως ακριβώς σε μια μπαταρία). Η μεμβράνη εμφανίζει αυξημένη ενέργεια μέρος της οποίας μπορεί να αποθηκευτεί ή να χρησιμοποιηθεί. Η ενεργοποιημένη κατάσταση μιας μπαταρίας εκφράζεται ως ηλεκτρεγερτική δύναμη. Με ανάλογο τρόπο η κατάσταση αυξημένης ενέργειας της μεμβράνης εκφράζεται ως πρωτονιεγερτική δύναμη Η ιδέα ότι η διαβάθμιση Η + είναι υπεύθυνη για την σύνθεση ΑΤΡ προτάθηκε με την ονομασία χημειωσμωτική θεωρία το 1961 από τον Mitchell.
Πρωτονιεγερτική δύναμη και σχηματισμός ΑΤΡ Καταλύτης για την μετατροπή της πρωτονιεγερτικής δύναμης σε ΑΤΡ είναι ένα μεγάλο ενζυμικό σύμπλοκο της μεμβράνης η συνθάση του ΑΤΡ ή ΑΤΡάση. Αποτελείται από δύο κύρια τμήματα, μια μεγάλη κεφαλή με πολλές υπομονάδες που ονομάζεται F 1 και βρίσκεται στην κυτταροπλασματική πλευρά της μεμβράνης και ένα δίαυλο πρωτονίων που ονομάζεται F 0 που διαπερνά όλη την μεμβράνη. Το σύμπλοκο F 1 /F 0 καταλύει μια αντιστρεπτή αντίδραση: : ADP + P i ATP Η ροή πρωτονίων μέσω του F 0 προκαλεί περιστροφή ενός πρωτεϊνικού δακτυλίου και δημιουργείται ροπή που μεταβιβάζεται στο τμήμα F 1 Αποτέλεσμα της μεταβίβασης ροπής είναι η αλλαγή της στερεοδίαταξης των υπομονάδων β της κεφαλής που καταλύουν τον σχηματισμό του ΑΤΡ Η αντιστροφή διαδικασία, δηλ διάσπαση ΑΤΡ επιτρέπει την μεταφορά πρωτονίων από το εσωτερικό του κύτταρου και την δημιουργία πρωτονιεγερτικής δύναμης. Έτσι εξηγείται γιατί κάποιοι μικροοργανισμοί ενώ δεν χρησιμοποιούν οξειδωτική φωσφορυλίωση διαθέτουν ΑΤΡάση.
Βιοσύνθεση βασικών μονομερών:σάκχαρα Η βιοσύνθεση των βασικών μονομερών (δομικές μονάδες των μακρομορίων) είναι μια αναβολική διαδικασία και απαιτεί ενέργεια που προέρχεται είτε από το ΑΤΡ ή την πρωτονιεργετική δύναμη. Τα σάκχαρα είναι μονομερή των πολυσακχαριτών που αποτελούν δομικό συστατικό των βακτηρίων (κυτταρικό τοίχωμα) ή αποθήκες ενέργειας (γλυκογόνο, άμυλο). Στο κύτταρο βρίσκονται σάκχαρα έξι ή πέντε ατόμων άνθρακα (εξόζες, πεντόζες). ).Η γλυκόζη είναι χαρακτηριστική εξόζη ενώ η ριβόζη και δεοξυριβόζη πεντόζες. Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς οι πολυσακχαρίτες συντίθενται από 2 ενεργοποιημένες μορφές της γλυκόζης την ουριδινοδιφωσφορική (UDPG) και την αδενοσινοδιφωσφορική (ADPG) γλυκόζη. Το ADPG είναι το πρόδρομο μόριο του γλυκογόνου και το UDPG είναι το πρόδρομο μόριο πεπτιδογλύκανης και λιποπολυσακχαριτών. Πολλές φόρες η γλυκόζη είναι άμεσα διαθέσιμη για το κύτταρο αλλά όχι πάντοτε. Σε αυτές τις περιπτώσεις η γλυκόζη συντίθεται de novo μέσω της γλυκογονονεογένεσης έχοντας ως αρχικό υλικό την φωσφοενολπυροσταφυλική ρίζα. Οι πεντόζες σχηματίζονται από εξόζες με αφαίρεση ενός ατόμου C. Πρώτα σχηματίζεται ριβόζη η οποία μετατρέπεται σε δεοξυριβόζη (ριβονουκλεοτιδική αναγωγάση)
Βιοσύνθεση βασικών μονομερών: αμινοξέα Οι μικροοργανισμοί που δεν προσλαμβάνουν κάποια αμινοξέα από το περιβάλλον τους, τα συνθέτουν από μόνοι τους.οι ανθρακικοί σκελετοί των αμινοξέων προέρχονται σχεδόν πάντα από ενδιάμεσες ενώσεις της γλυκόλυσης ή του κύκλου Krebs. Η αμινομάδα των αμινοξέων προέρχεται από ανόργανες ενώσεις του περιβάλλοντος (αμμωνία) ή απευθείας από άζωτο της ατμόσφαιρας. Η αμμωνία αρχικά ενσωματώνεται στο α-κετογλουταρικό μέσω της γλουταμικής αφυδρογονάσης για να δώσει γλουταμικό και στη συνέχεια το γλουταμικό μετατρέπεται σε γλουταμίνη μέσω της γλουταμινικής συνθετάσης. Άλλα ένζυμα όπως οι τρανσαμινάσες και αμινοτρανσφεράσες είναι υπεύθυνα για την μεταφορά αμινομάδας μεταξύ ποικίλων ανθρακικών σκελετών από τους οποίους ξεκινούν οι βιοσυνθετικές αντιδράσεις όλων των αμινοξέων που χρειάζονται για την σύνθεση πρωτεϊνών.
Βιοσύνθεση βασικών μονομερών: νουκλεοτίδια Η βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων (πουρίνες, πυριμιδίνες) είναι πολύπλοκη. Οι πουρίνες σχηματίζονται κυριολεκτικά άτομο προς άτομο από διάφορες πηγές αζώτου και άνθρακα (πχ ασπαρτικό, φολικό οξύ), συμπεριλαμβανομένου και CO 2. Πρόδρομη ένωση όλων των πουρινών είναι το ινοσινικό οξύ Οι πυριμιδίνες σχηματίζονται επίσης από διάφορες πηγές και πρόδρομη ένωση όλων είναι το ουριδιλικό οξύ. Όταν οι πουρίνες και οι πυριμιδίνες συντεθούν στην τριφωσφορική τους μορφή ενσωματώνονται στο DNA ή στο RNA Οι σουλφοναμίδες είναι αντιβιοτικά που παρεμποδίζουν την σύνθεση των πουρινών από φολικό οξύ.
Βιοσύνθεση βασικών μονομερών: λιπαρά οξέα Τα λιπαρά όξεα είναι απαραίτητα για την βιοσύνθεση των λιπιδίων τόσο στους προκαρυωτικούς όσο και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Συντίθενται κάθε φορά ανά 2 άτομα άνθρακα με την βοήθεια μιας πρωτεΐνης που ονομάζεται ακυλοφόρος (ACP). Η ACP «χτίζει» το λιπαρό οξύ και το συγκρατεί μέχρι να φθάσει το απαιτούμενο μήκος οπότε και το απελευθερώνει. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι αν και η αλυσίδα του λιπαρού οξέος σχηματίζεται ανά δύο άτομα άνθρακα, αυτά προέρχονται από ένωση 3 ατόμων άνθρακα, το μηλονικό οξύ που συνδέεται με την ACP για τον σχηματισμό μηλονυλο- ACP. Σε κάθε βήμα της σύνθεσης τους αποβάλλεται CO 2 Στα βακτήρια για την σύνθεση λιπαρών οξέων απαραίτητη είναι η βιοτίνη Η τελική σύνθεση των λιπίδιων είναι μια αντίδραση εστεροποίησης μεταξύ των λιπαρών οξέων και της γλυκερόλης. Στα σύνθετα λιπίδια κάποιος άνθρακας της γλυκερόλης περιέχει φωσφορική ομάδα, αιθανολαμίνη, σάκχαρο ή άλλες ομάδες. Η σύσταση των λιπιδίων στα βακτήρια χρησιμοποιείται συχνά ως ταξινομικό κριτήριο